Fluoropolymeerit ovat kaikkialla läsnä nykyaikaisessa elämässä – niitä käytetään kaikessa, elintarvikepakkauksista keittiön pannujen tarttumattomiin pinnoitteisiin. Fluoropolymeerit ovat kyenneet täyttämään monia erilaisia teollisia tarpeita, mikä tekee niistä erittäin suositun materiaalin.

Fluoropolymeereissä esiintyvä hiili-fluoridi-sidos antaa niille ominaiset ominaisuudet – palamisen ja kemikaalien kestävyyden. C-F-sidokset ovat hyvin vahvoja, ja erilaisten, hieman toisistaan poikkeavien C-F-sidostapojen fluoripolymeerien synteesi on auttanut luomaan nykyisin olemassa olevan valtavan ja monipuolisen fluoripolymeeriteollisuuden.

Homopolymeerit, jotka syntyvät monomeeriyksiköiden ketjuttamisella, ja kopolymeerit, jotka syntyvät kahden eri monomeerin ketjuttamisella, ovat vain kaksi esimerkkiä erilaisista konfiguraatioista, jotka mahdollistavat niin monien erilaisten fluoripolymeerien valmistuksen.

Tämä monipuolinen teollisuus sai alkunsa vain yhdestä ainoasta alkuperäisestä fluoripolymeeristä: polytetrafluorieteenistä eli PTFE:stä.

Kuva 1. Suosittujen fluoripolymeerien maisema. Homopolymeerit, kuten PTFE, valmistetaan polymeroimalla identtisiä monomeeriyksiköitä. Kopolymeerit sisältävät kaksi tai useampia monomeerejä lopullisen polymeerimateriaalin tuottamiseksi.

PTFE syntyi vuosien ajan sattumalta DuPontin kemistien toimesta, jotka keskittyivät uusien kylmäaineiden kehittämiseen.1 Tutkijat olivat jättäneet matalalämpöisen nestemäisen tetrafluorieteenin (TFE) painesäiliöön, ja jonkin aikaa ilman valvontaa oltuaan he huomasivat, että materiaali oli polymeroitunut muodostaen vahamaista pinnoitetta säiliön sisäseinämille. Todettiin, että tämä pinnoite oli PTFE:tä.

Vaikka tämä havainto tehtiin vuonna 1938, PTFE:tä kaupallistettiin vasta vuonna 1946. Ennen tätä PTFE:tä käytettiin Manhattan-projektissa, Amerikan työssä atomipommin kehittämiseksi, eli uusi materiaali pidettiin salassa. Tarjotaan useimmiten polymeeripinnoitteena metallipinnoille TeflonTM PTFE (tunnetaan myös nimellä vain TeflonTM) on nykyään tunnetuin sen käytöstä keittiövälineiden tarttumattomana pinnoitteena.

PTFE:n synteesi käsittää TFE:n monomeerien polymeroinnin (kuva 2). Synteesissä valmistetaan ensin TFE:tä käyttäen kloroformia (CHCl3), fluorivetyhappoa (HF) ja kalsiumfluoridia (CaF2), jotka kuumennetaan yli 600 °C:n (1112 °F) lämpötilaan. Reaktiossa syntyvä TFE-kaasu jäähdytetään nesteeksi, joka voidaan sitten puhdistaa.

Kuva 2. PTFE (polytetrafluorieteeni) ja sen välittömät synteettiset esiasteet. PTFE valmistetaan polymeroimalla tetrafluorieteenin (TFE) monomeerejä radikaalireaktion avulla.

Nesteytetty TFE polymerisoidaan sen jälkeen radikaalimekanismin avulla käyttäen initiaattoria, kuten peroksidia (ROOR), PTFE:n valmistamiseksi. Tätä prosessia voidaan säätää useilla eri tavoilla PTFE:n valmistamiseksi tehona, vesidispersiona tai pelletteinä.2

PTFE:n voimakkaiden ominaisuuksien ansiosta sitä pidetään parhaana saatavilla olevana verrattuna muihin fluoripolymeereihin. Nämä ominaisuudet johtuvat siitä, että PTFE:ssä on C-C-polymeerin selkärangan varrella yksinomaan C-F-sidoksia, jotka ovat vahvoja, lyhyitä ja inerttejä (kuva 3), mikä tarkoittaa, että selkärankaa suojaa tehokkaasti inerttien fluoriatomien ulompi kerros.

Kuva 3. PTFE:n rakenne. A) Stereosidosviivapiirros, B) pallo- ja sauvamalli ja C) PTFE:n tilantäyttömalli (esitetty siksak-kuvauksena). (PTFE:n konformaatiot vaihtelevat sulan ja amorfisen vaiheen aikana).

Tämän ainutlaatuisen rakenteen ansiosta PTFE:llä on suotuisia ominaisuuksia, joista se tunnetaan – kemiallinen inerttiys, vähäinen veden imeytyminen ja erittäin alhainen kitkakerroin, joka antaa sille liukkaan tuntuman.

Käsittely

PTFE:n korkea viskositeetti tarkoittaa, että sitä ei voida käsitellä sulassa; käsittelyyn voidaan kuitenkin käyttää menetelmiä, kuten pastapuristusta, jossa jauhemainen PTFE-hartsi sekoitetaan voiteluaineeseen (esim. hiilivetyyn) (taulukko 1). Sekoitusmenetelmiä voidaan käyttää esimuodon tuottamiseen, josta voidaan sitten valmistaa komponentteja, kuten teippejä, letkuja ja levyjä.

Taulukko 1. PTFE:n jalostuskelpoisuus. Vaikka PTFE ei ole sulatuskäsiteltävissä, se soveltuu useisiin muihin tuotantomenetelmiin, kuten massapuristamiseen ja puristusvaluun.

PTFE-komponentteja voidaan valmistaa myös valamalla tai sintraamalla se aihioksi. Tuloksena syntynyt aihio voidaan sitten lämmittää ja ram-extrudoida putkien, teiden tai letkujen valmistusta varten. Lisäksi PTFE:n rungot voidaan sitten kalanteroida kalvojen ja levyjen valmistamiseksi, tai muotoon valettuja komponentteja voidaan valmistaa puristusmuovaamalla.

PTFE:n monenlaiset käsittelytavat osoittavat, että vaikka PTFE ei ole sulatuskelpoinen, sen komponentteja voidaan silti helposti valmistaa räätälöityjä sovelluksia varten.

PTFE:n ominaisuudet

Fysikaaliset ja mekaaniset

PtFE:tä pidetään monien mielestä fluoropolymeerien ”kultaisena standardina” sen erinomaisten ominaisuuksien vuoksi. Koska PTFE oli jo niin haluttu, uusien fluoripolymeerien, kuten PFA:n ja FEP:n, kehittelyn jälkeen pyrittiin tuottamaan polymeerejä, joilla oli samat ominaisuudet kuin PTFE:llä, mutta joita voitiin käsitellä sulatuksessa.

PTFE on suoraketjuinen perfluoripolymeeri, jolla on korkein fluorikyllästysaste, ja juuri tämä takaa suurimman osan sen edullisista ominaisuuksista (taulukot 2 ja 3). PTFE:n polymeerin selkärangan C-C-sidokset ovat vahvoja ja lyhyitä, ja kun ne yhdistetään ulospäin suuntautuviin erittäin polymeerisiin C-F-sidoksiin, tuloksena on kiinteä aine, jolla on suuri tiheys ja kiteisyys.

TAULUKKO 2. PTFE:n tyypilliset fysikaaliset ominaisuudet. PTFE:n fysikaaliset ominaisuudet sijoittavat sen pieneen fluoripolymeerien ryhmään, jonka ominaisuudet ovat parempia kuin lähes kaikkien muiden polymeerimuovien. (Menetelmät ovat ASTM:n testistandardeja, paitsi jos ne on merkitty *:lla).

.

Taulukko 3. Tyypilliset PTFE:n mekaaniset ominaisuudet. Vaikka PTFE on mekaanisesti suhteellisen heikko, sillä on erittäin alhainen kitkakerroin ja erittäin suuri kovuus.

Inertit ja hydrofobiset fluoriatomit päällystävät tehokkaasti selkärangan, mikä tekee PTFE:stä kemiallisesti reagoimattoman valtavaan joukkoon kemikaaleja ja tekee siitä bioyhteensopivan lääketieteelliseen luokkaan VI asti.

Vaikka PTFE:n mekaanisessa käyttäytymisessä on joitakin rajoituksia, se on yleensä parempi kuin kaikki muut fluoripolymeerit useiden erilaisten hyödyllisten ominaisuuksien suhteen.

PTFE:n mekaaniset ominaisuudet liittyvät sen kiteisyyteen; joka on erittäin korkea, koska PTFE-molekyyleillä on erittäin homogeeninen, lineaarinen rakenne. Tuoreen PTFE:n kiteisyys on yleensä yli 90 %, mikä on huomattavasti enemmän kuin PVDF:n, toisen erittäin homogeenisen fluoripolymeerin, 40-50 %:n kiteisyys.

Materiaaleilla, joilla on korkea kiteisyys, on taipumus olla hauraita ja niiden kimmoisuus ja vetolujuus ovat alhaisempia. PTFE:n haurauden vähentämiseksi se voidaan syntetisoida siten, että se sisältää täyteainetta, tai voidaan käyttää erilaista käsittelyä, jolla valitaan tietyt mekaaniset (tai muut) ominaisuudet. Kiteisyys voi kuitenkin usein olla eduksi, koska se parantaa iskunkestävyyttä ja kovuutta, mikä on hyödyllistä kovaa kulutusta vaativissa sovelluksissa.

PTFE:n erittäin alhainen kitkakerroin johtaa erittäin sileään pintaan, joka auttaa vähentämään kulumisesta aiheutuvia vaurioita. Kiderakenteensa ansiosta PTFE on erittäin lämpötilavakaa, mikä tarkoittaa, että sillä on samankaltaiset ominaisuudet laajalla lämpötila-alueella.

Lämpötila

PTFE:n vahvat C-F- ja C-C-sidokset vaikuttavat merkittävästi sen lämpöominaisuuksiin (taulukko 4), sillä C-F-sidosten sidoslujuus on suurempi (116 kcal/mol) kuin C-H-sidosten sidoslujuus on jopa korkeampi kuin C-H-sidosten sidoslujuus on korkeampi kuin jopa C-H-sidosten sidoslujuus on korkeampi kuin C-H-sidosten sidoslujuus on korkeampi.3 Näiden erittäin vahvojen sidosten ansiosta PTFE:n käyttölämpötila on korkea, jopa 260 °C (500 °F), mikä on yksi korkeimmista kaikista fluoripolymeereistä.

Taulukko 4. PTFE:n lämpöominaisuudet. PTFE:llä on kaikista fluoropolymeereistä laajin käyttölämpötila-alue. PTFE on myös erittäin vastustuskykyinen palamista vastaan, ja se vaatii erittäin korkean happipitoisuuden palaakseen. (Menetelmät ovat ASTM:n testistandardeja, ellei toisin mainita).

PTFE:tä on uskomattoman vaikea polttaa, sillä se tarvitsee vähintään 95 %:n happipitoisuuden. (Vertailun vuoksi normaali ilma sisältää vain noin 21 % happea). Nämä PTFE:n syttyvyysominaisuudet ovat erityisen hyödyllisiä PTFE-komponenteille, joita käytetään herkissä tai kriittisissä sovelluksissa, kuten ilmailu- ja avaruustekniikan ja autoteollisuuden ympäristöissä.

On syytä huomata, että PTFE:n tilavuus voi pienentyä noin 1,8 % lämpötilojen 30 °C:n ja 19 °C:n (86 °F:n ja 66 °F:n (86 °F:n ja 66 °F:n (86 °F:n ja 66 °F:n) välisenä aikana, koska PTFE:n rakenne muodostaa jäähtyessään tiiviisti käämityn kanonisen kierukan.4,5 Tilavuuden pienentymisellä on suuri merkitys, ja se on syytä huomioida, kun PTFE-komponentteja valmistetaan ympäristöihin, joissa edellytetään hienojakoista sietoa. Kun kierteinen konformaatio on muodostunut, eli alle 19 °C:n (66 °F) lämpötilassa, PFTE osoittaa erinomaista toiminnallista käyttäytymistä jopa -200 °C:n (-328 °F) lämpötiloissa.

PTFE säilyttää monet hyödyllisistä ominaisuuksistaan laajalla lämpötila-alueella, enemmän kuin useimmat muut fluoripolymeerit.

Sähköinen

PTFE on ainutlaatuinen polymeeri sähköisen käyttäytymisensä suhteen (taulukko 5). PTFE:n C-F-sidosten äärimmäinen napaisuus antaa sille poikkeukselliset dielektriset ominaisuudet laajalla taajuusalueella. PTFE:n dielektrisyysvakio ja häviökerroin osoittavat hyvää stabiilisuutta huoneenlämpötilasta jopa -250 °C:n lämpötiloihin ja jopa 10 GHz:n taajuuksille.6,7 PTFE:n valmistuksen aikana tapahtuvan tyhjiönmuodostuksen minimointia voidaan käyttää PTFE:n dielektrisyyslujuuden (eli läpilyöntijännitteen) parantamiseen entisestään.

TAULUKKO 5. PTFE:n sähköiset ominaisuudet. PTFE:n perfluorattu luonne, joka sisältää vahvasti polaarisia C-F-sidoksia, johtaa erittäin edullisiin eristysominaisuuksiin. PTFE:n dielektriset edut pysyvät lähes muuttumattomina hyvin laajalla taajuusalueella. (Menetelmät ovat ASTM-menetelmiä, paitsi jos ilmoitettu).

PTFE:n dielektriseen lujuuteen terminen vanheneminen tai kuumentaminen ei vaikuta voimakkaasti.7 Kaiken kaikkiaan PTFE:n eristysominaisuudet ovat yleensä paremmat kuin useimmilla muilla kiinteillä materiaaleilla.

Viimeistely

PTFE voidaan viimeistellä käyttämällä useimpia tavanomaisia valmistus- ja työstömenetelmiä. Jähmeäksi käsitellystä PTFE:stä voidaan valmistaa monia erilaisia muotoja, tyyppejä ja tuotteita. Yleiset työstömenetelmät, kuten kierteittäminen, sorvaaminen, kierteittäminen, poraaminen, hionta, kuorinta ja monet muut, voidaan suorittaa ilman muutoksia laitteisiin.

Vaikka se on muovi, PTFE:n kovuus tarkoittaa, että se kuluttaa työkaluja samassa määrin kuin ruostumaton teräs.7 Tämä tarkoittaa kuitenkin myös sitä, että PTFE-komponentit voidaan virittää niinkin pieniin toleransseihin kuin < ± 0.001′′ (0,025 mm).7

PTFE:tä on myös mahdollista esipaisuttaa lämpökutisteputkien muodostamiseksi kapselointia varten, jolloin se kovettuu lähes kiinteään muotoon. Nämä kalvo- tai PTFE-levymuodot voidaan sitten mekaanisesti paisuttaa tai venyttää (käyttäen eri menetelmää kuin lämpökutistaminen) hallitusti, jolloin saadaan paisutettua PTFE:tä (ePTFE). ePTFE:llä on mikrohuokoinen rakenne, ja sitä voidaan käyttää uusissa sovelluksissa, erityisesti erikoissuodatuksissa tai lääkinnällisissä laitteissa.

Valmiita PTFE-komponentteja on mahdollista liimata, joskin usein tämä edellyttää komponentin kemiallista syövyttämistä käyttäen väkeviä alkalimetallihydridejä tai -hydroksideja6 . Pigmenttejä voidaan käyttää PTFE:n värjäämiseen, joskin pigmenttien valinta on rajoitettu sellaisiin, jotka kestävät korkeita lämpötiloja, joissa PTFE:tä käsitellään.

PTFE:n ekstruusion jälkeinen ystävällinen käyttäytyminen on yksi tärkeimmistä syistä, miksi sitä suositaan käytettäväksi korkean suorituskyvyn sovelluksissa useilla eri teollisuudenaloilla.

Sovellukset

PTFE on edelleen suosituin kaupallinen polymeerimuovi2 , ja sen edulliset ominaisuudet, nimittäin kemiallinen ja terminen inerttiys sekä kiderakenne, tekevät siitä yleistyneen useimmilla kaupallisilla aloilla (taulukko 6). Nämä alat ulottuvat kemian- ja sähköteollisuudesta auto- ja ilmailuteollisuuteen, jossa PTFE:tä käytetään erikoistuneilla aloilla.

Taulukko 6. Katsaus PTFE:n sovelluksiin. PTFE:n lämpötilan sietokyky, steriloitavuus ja kyky valmistaa ePTFE:n ja PTFE:n lämpökutistuman kaltaisia muotoja ovat tehneet siitä yhden yleisimmin käytetyistä fluoropolymeereistä.

PTFE:stä, joka on suulakepuristettu, voidaan valmistaa suulakepuristettua langan, letkujen, monofilamenttien (profiileilla tai ilman) päälle; se voidaan kalanteroida levyiksi tai kalvoiksi, joita voidaan venyttää mikrohuokoiseksi ePTFE:ksi tai lämpökutistuvaksi PTFE:ksi, tai puristusvalaa.

PTFE:tä voidaan myös suulakepuristaa, jolloin saadaan muotoja, joita olisi erittäin vaikeaa (ellei mahdotonta) valmistaa muulla tavoin (kuva 4). PTFE:n raakakomponentteja voidaan muokata tai työstää erikoistuneiden lopputuotteiden tai uudenlaisten esineiden valmistamiseksi. PTFE:n materiaaliominaisuudet ja valmistuksen monipuolisuus ovat johtaneet siihen, että se on vakiintunut suosituimmaksi fluoropolymeeriksi.

Kuva 4. Ekstrudoidut PTFE-profiilit. Zeus voi suulakepuristaa PTFE:tä lähes rajattomasti räätälöidyiksi profiileiksi (ja monikerroksisiksi muodoiksi), kuten tässä esitetyt, joita olisi muuten vaikea valmistaa.

Yhteenveto

PTFE oli ensimmäinen monista fluoripolymeereistä, ja se on vakiinnuttanut asemansa yhtenä tärkeimmistä kaupallisista muoveista. Osittain homopolymeerirakenteensa ansiosta se on fluoratuin kaikista fluoripolymeereistä, mikä johtaa korkeaan kemialliseen ja termiseen stabiilisuuteen; näiden ominaisuuksien ansiosta PTFE päihittää lähes kaikki muut polymeerit hyötyominaisuuksiltaan erilaisissa sovelluksissa.

PTFE:ssä olevan vahvan sidoksen vuoksi sen sulamislämpötila on korkea, ja se vaikuttaa sen korkeaan sulan viskositeettiin; mikä tarkoittaa, että sitä ei voida sulattaa, vaan se on pikemminkin suulakepuristettava. PTFE:n työstö voidaan suorittaa tavanomaisilla tekniikoilla ja menetelmillä, ja PTGE-levyjä voidaan laajentaa mikrohuokoiseksi ePTFE:ksi tai lämpökutisteiksi.

PTFE:n tarttumaton pinta voidaan ohittaa kemiallisella syövytyksellä PTFE:n liittämisen mahdollistamiseksi. PTFE:n erittäin monipuolinen luonne on yksi tärkeimmistä syistä siihen, että se on suosituin teollinen muovi.

PTFE:n poikkeukselliset ominaisuudet ovat toinen syy sen suosioon. Sen täysin fluorattu rakenne (lukuun ottamatta C-C-polymeerirunkoa) tekee siitä mallin, jonka pohjalta muita fluoripolymeerejä on kehitetty. PTFE:n vahvat C-C- ja C-F-sidokset antavat sille suuren kemiallisen ja termisen inerttiyden, ja se vaatii vähintään 95 % happea sisältävän ilmakehän, jotta se voi palaa.

PTFE:n eristyskyky tekee siitä halutun käytettäväksi sähköisissä sovelluksissa. Vaikka PTFE:llä on joitakin mekaanisia rajoituksia, sen erittäin suuri kovuus ja alhainen kitkakerroin tarkoittavat, että se soveltuu erinomaisesti komponentteihin, jotka kuluvat paljon. Kokonaisuutena tarkasteltuna PTFE:n edulliset ominaisuudet ylittävät lähes kaikkien muiden polymeerien ominaisuudet (taulukko 7).

taulukko 7. PTFE:n edut ja rajoitukset. PTFE:tä voidaan käyttää lähes kaikissa sovelluksissa, joissa ei vaadita mekaanista lujuutta, lukuun ottamatta radiologisia käyttötarkoituksia. PTFE:n laaja kemiallinen, lämpötilakestävyys ja säänkestävyys asettavat PTFE:n omaan ryhmäänsä suorituskykyisten fluoripolymeeripuristekappaleiden joukossa.

Tieto on peräisin, tarkistettu ja mukautettu Zeuksen toimittamista materiaaleista.

Lisätietoa tästä lähteestä saat osoitteesta Zeus.

Sitaatit

.